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摘 要

膜技术是先进的环境治理技术，已经在废水、废气处理等领域发挥着重要的作用。膜技术更是解决世界范围缺水，提高用水质量的重要技术。膜分离技术在近几年取得了许多重要的进步，也在工业上得到了大规模应用。分子模拟手段从分子层面考察流体的传递行为，以碳纳米管为膜孔道模型，分析流体与界面的相互作用，与生物通道内流体的传递行为相比较，抽提流体在界面性质影响下的膜孔道内的传递机制，指导新型高性能膜材料的设计。

本文以碳纳米管为纳米孔道模型，以水，水与离子，水与离子与官能团作为研究对象，考察了这些因素在电场作用下的变化机制。研究发现，增强流体运动的推动力——电场，离子的通量随之增加，同时通道对离子的选择性也增加。

关键词：碳纳米管 电场 官能团 分子模拟

Nanoporous molecular dynamics study of different ion transport properties

Abstract

The membrane separation is an advanced technology for the control of environmental pollution, and it is playing a significant role in the fields of waste water treatment and waste gas treatment. The membrane separation is also an important technology in dealing with the worldwide lack of fresh water and improving the quality of water.Membrane separation technology in recent years has made many important advances, but also has been applied on an industrial scale.Molecular simulation tools from molecular level study of fluid transfer behavior to the carbon nanotube membrane pore model to analyze the interaction between fluid and interface behavior compared with the transfer within biological pathways fluid extraction fluid at the interface properties affect the film channels within the transmission mechanism, guide the design of new high-performance membrane materials.

In this paper, the carbon nanotubes as nano-pore model to water, water and ions, water and ions and functional groups for the study to investigate the mechanisms of these factors changes in the electric field effect. Found to enhance the driving force for fluid movement - the electric field, the ion flux increases, while the selective passage of ions increases.

Key words：carbon nanotube; electric field; functional group ; molecular modeling

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 碳纳米管简介 1

1.1.2 碳纳米管模拟离子通道的研究进展 2

1.2 课题提出及研究内容 3

1.2.1 课题的提出 3

1.2.2 研究内容 4

第二章 理论基础与研究方法 5

2.1 计算机分子模拟简介 5

2.2 分子动力学模拟的理论基础 5

2.2.1 分子动力学模拟（简称MD） 5

2.2.2 基本原理与方法 6

2.2.3 MD模拟中的系综 8

2.2.4 体系平衡的判定 9

2.2.5特征量的提取 9

2.3 Gromacs和VMD软件简介 9

第三章 结果与分析 10

3.1 引言 10

3.2 模拟细节 10

3.2.1 模拟位能 10

3.2.2 模拟细节 12

3.3 结果与讨论 13

3.3.1不同电场强度下离子数密度分布 13

3.3.2 离子水化 14

3.3.3离子周围的氢键数随着电压的变化 17

3.3.4 Mg² ,Ca² 离子的分离 18

3.4 本章总结 21

第四章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 25

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 碳纳米管简介

碳纳米管[1]自从1991年被日本电镜学家lijima在制备C₆₀的过程中首次发现后,因为它独特的结构及优良的电学、力学和化学等性能,呈现出了广阔的应用前景,吸引了材料、物理、化学、电子等领域的科学家的关注,也成为了国际新材料领域的研究前沿和热点。目前,关于碳纳米管的特性和制备方法的研究已经取得很大的进展,重点正在转向规模化生产和应用领域的研究。

碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴按一定的螺旋度卷曲而成的管状物,管子两端一般也是由含五边形的半球面网格封口[2]。每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp² 杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面( 图1-1)[3]。按照管子的层数不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

碳纳米管可分为为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)[4]。多壁碳纳米管结构复杂,不易确定；单壁碳纳米管结构相对比较简单,理论上已有较深入的研究。

图1-1

1.1.2 碳纳米管模拟离子通道的研究进展

碳纳米管作为纳米通道有着高的水分子通过速率,同时也有较好的离子选择性,在污水净、化海水淡化等领域有着很大的应用潜能[5]。

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